高压方法为合成具有理想介电性能的新材料提供了机会

电容器是智能手机和计算机等电子设备中的关键组件。它们由介电材料制成，在施加电压时会极化。目前，钛酸钡 (BaTiO₃) 是电容器最广泛使用的材料。钛酸钡属于钙钛矿材料组，其中钛离子位于氧八面体笼内。该材料表现出位移型铁电行为，其中相变过程中离子的位移导致材料内产生永久偶极矩。

在2024年4月1日发表在《Dalton Transactions》杂志上的一项研究中，芝浦工业大学的山本绫子教授带领的研究人员，包括硕士生村濑公敏，开发出了一种高介电常数的位移型铁电材料。理论部分由日本精细陶瓷中心的森分弘树博士及其团队进行研究。

研究人员采用高压法成功将大量铷离子掺入钙钛矿型化合物中，合成了铌酸铷 (RbNbO 3 )。这种化合物此前以合成工艺复杂而闻名，而此次是通过创新方法成功合成的。RbNbO 3像 BaTiO 3一样表现出位移铁电性，使其成为一种很有前途的电容器候选材料，人们对合成 RbNbO 3的兴趣可以追溯到 20 世纪 70 年代。然而，对其介电性能的研究仅在低温下(低于 27°C)进行。这项研究揭示了宽温度范围(-268 至 +800°C)内的晶体结构和相变，为进一步的研究和开发铺平了道路。

“高压合成法已报道了多种具有钙钛矿型结构的材料，包括超导体和磁体。在这项研究中，我们的重点是结合以高介电性能而闻名的铌酸盐和碱金属，”山本教授说。

研究人员通过在 1073 K(800°C)下烧结碳酸铷和氧化铌的混合物，然后将其置于 1173 K(900°C)的 40,000 个大气压高压下 30 分钟，合成了非钙钛矿型 RbNbO 3。在这种高压高温条件下，铌酸铷经历了结构转变，从环境压力下的复杂三斜相转变为密度提高 26% 的正交钙钛矿型结构。

研究人员利用 X 射线衍射研究了晶体结构。他们使用单晶进行的分析表明，该晶体结构与铌酸钾 (KNbO 3 ) 非常相似，并且表现出与 BaTiO 3中观察到的类似的扭曲，这两种材料都是众所周知的铁电材料。然而，他们发现 RbNbO 3中铌原子的正交性和位移超过了 KNbO 3，这表明由于相变导致的介电极化程度更高。

此外，通过粉末 X 射线衍射，研究人员发现了在从 –268°C 到 +800°C 的温度范围内发生的四种不同的相变。室温以下，RbNbO 3处于正交相，这是最稳定的结构。随着温度升高，它经历转变：首先在 220°C 以上转变为四方钙钛矿相，然后在 300°C 以上转变为更细长的四方钙钛矿相。最后，在 420°C 以上，它会恢复到在大气条件下发现的非钙钛矿相。

这些观测到的相变与通过第一性原理计算得出的预测非常吻合。研究人员还计算了 RbNbO 3不同相的介电极化。他们发现，正交相的极化为 0.33 C m −2，而两个四方相的极化分别为 0.4 和 0.6 C m −2 。这些值与铁电碱金属铌酸盐(如 KNbO 3(0.32 C m −2)、LiNbO 3(0.71 C m −2)和 LiTaO 3(0.50 C m −2 ))的值相当。

山本教授表示：“此次获得的高压相通过观察与铌酸钾相同强度的二次谐波产生，证实了极性结构的存在，并且还获得了相对较高的相对介电常数。至于介电常数，预计通过增加样品密度可以获得等于或大于铌酸钾的值，正如理论计算所预测的那样。 ”